SUARA: SEJARAH, KARAKTERISTIK, CARA PRODUKSINYA, JENIS - FISIK - 2025

The suara didefinisikan sebagai gangguan ke merambat dalam medium seperti udara, bergantian menghasilkan kompresi dan ekspansi di dalamnya. Perubahan tekanan dan kepadatan udara ini mencapai telinga dan diinterpretasikan oleh otak sebagai sensasi pendengaran.

Suara telah menyertai kehidupan sejak awal, menjadi bagian dari alat yang dimiliki hewan untuk berkomunikasi satu sama lain dan dengan lingkungannya. Beberapa orang mengatakan bahwa tumbuhan juga mendengarkan, tetapi bagaimanapun juga mereka dapat merasakan getaran lingkungan meskipun mereka tidak memiliki alat bantu dengar seperti hewan tingkat tinggi.

Gambar 1. Pecahnya penghalang suara

Selain menggunakan suara untuk berkomunikasi melalui ucapan, orang menggunakannya sebagai ekspresi artistik melalui musik. Semua budaya, kuno dan terkini, memiliki segala jenis manifestasi musik, yang dengannya mereka menceritakan kisah, adat istiadat, keyakinan agama, dan perasaan mereka.

Sejarah

Karena pentingnya, umat manusia tertarik untuk mempelajari sifatnya dan menciptakan akustik, cabang fisika yang didedikasikan untuk sifat dan perilaku gelombang suara.

Diketahui bahwa matematikawan terkenal Pythagoras (569-475 SM) menghabiskan waktu lama mempelajari perbedaan ketinggian (frekuensi) antar suara. Di sisi lain, Aristoteles, yang berspekulasi tentang semua aspek alam, dengan tepat menegaskan bahwa suara terdiri dari ekspansi dan kompresi di udara.

Kemudian insinyur Romawi yang terkenal Vitruvius (80-15 SM) menulis risalah tentang akustik dan aplikasinya dalam pembangunan teater. Isaac Newton sendiri (1642-1727) mempelajari propagasi suara dalam media padat dan menentukan rumus kecepatan propagasinya.

Seiring waktu, alat perhitungan matematis memungkinkan untuk secara memadai mengungkapkan semua kompleksitas perilaku gelombang.

Karakteristik suara (properti)

Dalam bentuk yang paling sederhana, gelombang suara dapat digambarkan sebagai gelombang sinusoidal, merambat dalam ruang dan waktu, seperti yang ditunjukkan pada gambar 2. Di sana diamati bahwa gelombang itu periodik, yaitu memiliki a bentuk yang berulang dalam waktu.

Menjadi gelombang longitudinal, arah rambat dan arah gerak partikel medium getar adalah sama.

Parameter gelombang suara

Gambar 2. Suara adalah gelombang longitudinal, gangguan menjalar ke arah yang sama di mana molekul mengalami perpindahannya. Sumber: Wikimedia Commons.

Parameter gelombang suara adalah:

Periode T: adalah waktu yang diperlukan untuk mengulangi satu fase gelombang. Dalam Sistem Internasional itu diukur dalam hitungan detik.

Siklus : adalah bagian gelombang yang terdapat dalam periode dan meliputi dari satu titik ke titik lainnya yang memiliki ketinggian dan kemiringan yang sama. Bisa dari satu lembah ke lembah berikutnya, dari satu punggung bukit ke bukit berikutnya, atau dari satu titik ke titik lainnya yang memenuhi spesifikasi yang dijelaskan.

Panjang gelombang λ : jarak antara satu puncak gelombang dengan gelombang lainnya, antara satu lembah dengan lembah lainnya, atau secara umum antara satu titik dengan titik berikutnya dengan ketinggian dan kemiringan yang sama. Panjangnya diukur dalam meter, meskipun satuan lain lebih sesuai tergantung pada jenis gelombangnya.

Frekuensi f : didefinisikan sebagai jumlah siklus per unit waktu. Satuannya adalah Hertz (Hz).

Amplitudo A: sesuai dengan ketinggian maksimum gelombang terhadap sumbu horizontal.

Bagaimana suara dihasilkan dan disebarkan?

Suara dihasilkan ketika suatu objek yang dibenamkan dalam media material digetarkan, seperti yang ditunjukkan di bagian bawah Gambar 2. Membran kencang pengeras suara di sebelah kiri bergetar dan mengirimkan gangguan melalui udara sampai mencapai pendengar.

Saat gangguan menyebar, energi ditransmisikan ke molekul di lingkungan, yang berinteraksi satu sama lain, melalui ekspansi dan kompresi. Anda selalu membutuhkan media material untuk perambatan suara, baik itu padat, cair atau gas.

Saat gangguan di udara mencapai telinga, variasi tekanan udara menyebabkan gendang telinga bergetar. Ini menimbulkan impuls listrik yang disalurkan ke otak melalui saraf pendengaran, dan begitu impuls tersebut diterjemahkan menjadi suara.

Kecepatan suara

Kecepatan gelombang mekanis dalam media tertentu mengikuti hubungan ini:

Misalnya saat merambat di gas seperti udara, kecepatan suara dapat dihitung sebagai:

Saat suhu meningkat, begitu pula kecepatan suara, karena molekul dalam medium lebih bersedia untuk bergetar dan mengirimkan getaran melalui gerakannya. Tekanan di sisi lain, tidak mempengaruhi nilainya.

Hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi

Kita telah melihat bahwa waktu yang dibutuhkan gelombang untuk menyelesaikan satu siklus adalah periode, sedangkan jarak yang ditempuh dalam periode waktu tersebut sama dengan satu panjang gelombang. Oleh karena itu kecepatan v suara didefinisikan sebagai:

Di sisi lain, frekuensi dan periode saling terkait, yang satu merupakan kebalikan dari yang lain, seperti ini:

Yang mengarah ke:

Rentang frekuensi yang dapat didengar pada manusia adalah antara 20 dan 20.000 Hz, oleh karena itu panjang gelombang suara adalah antara 1,7 cm dan 17 m saat mengganti nilai pada persamaan di atas.

Panjang gelombang ini adalah ukuran benda biasa, yang mempengaruhi perambatan suara, karena sebagai gelombang, ia mengalami refleksi, refraksi, dan difraksi ketika menemui rintangan.

Mengalami difraksi berarti bahwa suara terpengaruh ketika menemui rintangan dan bukaan yang ukurannya mendekati atau lebih kecil sebagai panjang gelombangnya.

Suara bass paling baik menyebar dalam jarak jauh, itulah sebabnya gajah menggunakan infrasonik (suara frekuensi sangat rendah, tidak terdengar oleh telinga manusia) untuk berkomunikasi di seluruh wilayah mereka yang luas.

Juga ketika ada musik di ruangan terdekat, bass terdengar lebih baik daripada treble, karena panjang gelombangnya kira-kira seukuran pintu dan jendela. Di sisi lain, ketika meninggalkan ruangan, suara bernada tinggi akan mudah hilang dan tidak terdengar lagi.

Bagaimana suara diukur?

Suara terdiri dari serangkaian kompresi dan penghalusan udara, sedemikian rupa sehingga saat merambat, suara menyebabkan peningkatan dan penurunan tekanan. Dalam Sistem Internasional, tekanan diukur dalam pascal, yang disingkat Pa.

Yang terjadi adalah perubahan ini sangat kecil dibandingkan dengan tekanan atmosfer, yang bernilai sekitar 101.000 Pa.

Bahkan suara paling keras pun menghasilkan fluktuasi sedikitnya 20-30 Pa (ambang nyeri), jumlah yang cukup kecil jika dibandingkan. Tetapi jika Anda dapat mengukur perubahan tersebut, maka Anda memiliki cara untuk mengukur suara.

Tekanan suara adalah perbedaan antara tekanan atmosfer dengan suara dan tekanan atmosfer tanpa suara. Seperti yang telah kami katakan, suara paling keras menghasilkan tekanan suara 20 Pa, sedangkan yang paling lemah menyebabkan sekitar 0,00002 Pa (ambang batas suara).

Karena rentang tekanan suara mencakup beberapa pangkat 10, skala logaritmik harus digunakan untuk menunjukkannya.

Di sisi lain, secara eksperimental ditentukan bahwa orang-orang merasakan perubahan dalam suara intensitas rendah lebih nyata daripada perubahan pada besaran yang sama tetapi dalam suara yang intens.

Misalnya, jika tekanan suara meningkat 1, 2, 4, 8, 16…, telinga merasakan peningkatan 1, 2, 3, 4… dalam intensitas. Untuk alasan ini, akan lebih mudah untuk menentukan besaran baru yang disebut tingkat tekanan suara (Tingkat Tekanan Suara) L _P , yang didefinisikan sebagai:

Dimana P _o adalah tekanan referensi yang diambil sebagai ambang batas pendengaran dan P ₁ adalah tekanan efektif rata-rata atau tekanan RMS. RMS atau tekanan rata-rata inilah yang dianggap telinga sebagai energi rata-rata dari sinyal suara.

Desibel

Hasil dari ekspresi di atas untuk L _P , ketika dievaluasi untuk berbagai nilai P ₁ , diberikan dalam desibel, kuantitas tak berdimensi. Mengekspresikan tingkat tekanan suara seperti ini sangat mudah, karena logaritma mengubah angka besar menjadi angka yang lebih kecil dan lebih mudah diatur.

Namun, dalam banyak kasus, lebih disukai menggunakan intensitas suara untuk menentukan desibel, daripada tekanan suara.

Intensitas suara adalah energi yang mengalir selama satu detik (daya) melalui permukaan unit yang berorientasi tegak lurus terhadap arah perambatan gelombang. Seperti tekanan suara, ini adalah besaran skalar dan dilambangkan dengan I. Satuan I adalah W / m ² , yaitu daya per satuan luas.

Dapat ditunjukkan bahwa intensitas suara sebanding dengan kuadrat tekanan suara:

Dalam ungkapan ini, ρ adalah massa jenis medium dan c adalah kecepatan suara. Kemudian tingkat intensitas suara L _I didefinisikan sebagai:

Yang juga dinyatakan dalam desibel dan terkadang dilambangkan dengan huruf Yunani β. Nilai referensi I _o adalah 1 x 10 ^-12 W / m ² . Jadi, 0 dB merepresentasikan batas bawah pendengaran manusia, sedangkan ambang nyeri adalah 120 dB.

Karena ini adalah skala logaritmik, harus ditekankan bahwa perbedaan kecil dalam jumlah desibel membuat perbedaan besar dalam hal intensitas suara.

Pengukur level suara

Pengukur tingkat suara atau decibelmeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur tekanan suara, yang menunjukkan pengukuran dalam desibel. Ini dirancang untuk meresponsnya dengan cara yang sama seperti telinga manusia.

Gambar 3. Pengukur tingkat suara atau decibelmeter digunakan untuk mengukur tingkat tekanan suara. Sumber: Wikimedia Commons.

Ini terdiri dari mikrofon untuk mengumpulkan sinyal, lebih banyak sirkuit dengan amplifier dan filter, yang bertanggung jawab untuk mengubah sinyal ini menjadi arus listrik, dan akhirnya skala atau layar untuk menunjukkan hasil pembacaan.

Mereka banyak digunakan untuk menentukan dampak suara tertentu terhadap orang dan lingkungan. Misalnya kebisingan di pabrik, industri, bandara, kebisingan lalu lintas dan banyak lagi lainnya.

Jenis suara (infrasonik, ultrasound, mono, stereo, polifonik, homofonik, bas, treble)

Suara dicirikan oleh frekuensinya. Menurut yang dapat ditangkap telinga manusia, semua suara diklasifikasikan ke dalam tiga kategori: yang dapat kita dengar atau spektrum yang dapat didengar, yang memiliki frekuensi di bawah batas bawah spektrum yang dapat didengar atau infrasonik, dan yang berada di atas spektrum yang dapat didengar. batas atas, disebut ultrasound.

Bagaimanapun, karena gelombang suara dapat tumpang tindih secara linier, suara sehari-hari, yang terkadang kita artikan sebagai unik, sebenarnya terdiri dari suara yang berbeda dengan frekuensi yang berbeda tetapi dekat.

Gambar 4. Spektrum suara dan rentang frekuensi. Sumber: Wikimedia Commons.

Spektrum terdengar

Telinga manusia dirancang untuk menangkap berbagai frekuensi: antara 20 dan 20.000 Hz. Tetapi tidak semua frekuensi dalam kisaran ini dipersepsikan dengan intensitas yang sama.

Telinga lebih sensitif pada pita frekuensi antara 500 dan 6.000 Hz. Namun, ada faktor lain yang mempengaruhi kemampuan mendengar suara, seperti usia.

Suara infrasonik

Mereka adalah suara yang frekuensinya kurang dari 20 Hz, tetapi fakta bahwa manusia tidak dapat mendengarnya tidak berarti bahwa hewan lain tidak bisa. Misalnya, gajah menggunakannya untuk berkomunikasi, karena infrasonik dapat menempuh jarak yang jauh.

Hewan lain, seperti harimau, menggunakannya untuk mengejutkan mangsanya. Infrasonik juga digunakan dalam mendeteksi objek besar.

USG

Mereka memiliki frekuensi lebih dari 20.000 Hz dan digunakan secara luas di berbagai bidang. Salah satu kegunaan USG yang paling menonjol adalah sebagai alat kedokteran, baik untuk diagnostik maupun pengobatan. Gambar yang diperoleh dengan ultrasound bersifat non-invasif dan tidak menggunakan radiasi pengion.

Ultrasound juga digunakan untuk menemukan kesalahan dalam struktur, menentukan jarak, mendeteksi rintangan selama navigasi, dan banyak lagi. Hewan juga menggunakan ultrasound, dan kenyataannya begitulah keberadaannya ditemukan.

Kelelawar memancarkan getaran suara dan kemudian menafsirkan gema yang mereka hasilkan untuk memperkirakan jarak dan menemukan mangsa. Sementara itu, anjing juga dapat mendengar ultrasound dan itulah sebabnya mereka menanggapi peluit anjing yang tidak dapat didengar oleh pemiliknya.

Suara monofonik dan suara stereofonik

Gambar 4. Di studio rekaman, suara dimodifikasi dengan tepat oleh perangkat elektronik. Sumber: Pixabay.

Suara monofonik adalah sinyal yang direkam dengan satu mikrofon atau saluran audio. Saat mendengarkan dengan headphone atau klakson suara, kedua telinga mendengar hal yang persis sama. Sebaliknya, suara stereofonik merekam sinyal dengan dua mikrofon independen.

Mikrofon ditempatkan di posisi berbeda sehingga dapat menangkap tekanan suara yang berbeda dari apa yang ingin Anda rekam.

Kemudian setiap telinga menerima salah satu dari rangkaian sinyal ini, dan ketika otak mengumpulkan dan menafsirkannya, hasilnya jauh lebih realistis daripada saat mendengarkan suara monofonik. Oleh karena itu, ini merupakan metode yang disukai dalam hal musik dan film, meskipun suara monofonik atau mono masih digunakan di radio, terutama untuk wawancara dan percakapan.

Homofoni dan polifoni

Secara musikal, homofoni terdiri dari melodi yang sama yang dimainkan oleh dua atau lebih suara atau instrumen. Di sisi lain, dalam polifoni ada dua atau lebih suara atau instrumen yang sama pentingnya yang mengikuti melodi dan bahkan ritme yang berbeda. Ansambel yang dihasilkan dari suara ini harmonis, seperti musik Bach.

Suara bass dan treble

Telinga manusia membedakan frekuensi yang dapat didengar sebagai tinggi, rendah, atau sedang. Inilah yang dikenal sebagai nada suara.

Frekuensi tertinggi, antara 1600 dan 20.000 Hz, dianggap sebagai suara akut, pita antara 400 dan 1600 Hz sesuai dengan suara dengan nada sedang dan terakhir, frekuensi dalam kisaran 20 hingga 400 Hz adalah nada bass.

Suara bass berbeda dari treble karena yang pertama dianggap dalam, gelap, dan menggelegar, sedangkan yang kedua terdengar ringan, jernih, gembira, dan menusuk. Selain itu, telinga menafsirkannya sebagai lebih intens, tidak seperti suara bass, yang menghasilkan sensasi intensitas yang lebih rendah.

Referensi

1. Figueroa, D. 2005. Gelombang dan Fisika Kuantum. Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Disunting oleh D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Fisika: Prinsip dengan Aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Catatan tentang akustik musik. Diperoleh dari: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 1. 7. Ed. Pembelajaran Cengage.
5. Wikipedia. Akustik. Diperoleh dari: es.wikipedia.org.